关于焊接工装夹具设计过程的研究

樊志家，高超

沈阳新松机器人自动化股份有限公司 辽宁沈阳 110000

1 序言

在“中国制造2025”的时代背景下，中国制造向自动化、智能化迈进，机器人装备作为自动化生产的主力军，在改革的大潮中得到了长足的发展。本文针对机器人焊接的焊装夹具设计过程进行研究，焊装夹具作为机器人自动化焊接的重要辅助设备，即保证了焊接工作的高效安全，也保证了焊接产品的质量稳定性[1]。

2 焊装夹具的应用领域及主要作用

焊装夹具是汽车生产线上的重要工艺设备，事关整个汽车的产品质量，在焊接生产中，焊装夹具即能完成本工序的零件组装、定位焊接，同时还能够检验和校正上一道工序的焊接质量；焊装夹具依靠准确、可靠的定位和夹紧系统，有效地防止和减轻焊接变形，减小制品的尺寸偏差，以自动化设备代替手工劳动，大大改善了工人的作业条件，实现机械化及自动化焊接生产过程[2-4]。本文针对某项目焊装夹具设计过程进行分析，夹具布置如图1所示，简述焊装夹具的设计流程及基本原则。

3 焊装夹具设计流程

3.1 焊装夹具设计依据

设计依据是以客户提供的产品三维模型、产品图样、产品技术要求和有关技术要求等输入信息，在设计焊装夹具之前，应了解产品结构特征、工艺需要等信息，并结合企业自身的加工制作水平进行设计。认真分析用户提供的产品图样，将各零部件的基准定位信息记录并标记，如图2所示，方便在后续设计中查阅。

3.2 设计前准备工作

在正式开始焊装夹具设计之前，应根据之前分析图样得到的信息，在产品三维模型上，将产品需要焊接的位置标记焊缝位置分布，如图3所示，以免在设计过程中丢漏焊缝，造成设计时间延误；根据产品图样的定位信息，确定产品在焊装夹具底板上的摆放位置，在满足支撑定位的前提下，尽量使产品里夹具底板近一些，方便产品靠近夹具底板一侧焊缝在变位机旋转180°时，机器人可以更好的焊接姿态进行焊接；同时确定焊接所采用的焊枪型号，并要求提供焊枪的完整数模，将焊枪以合理的角度摆放至产品焊缝上，直观的反应焊接过程，一般每条焊缝放置两把焊枪，位于焊缝两端，焊枪布置应与产品对接面有45°夹角，如图4所示，与焊缝走向有75°夹角，如图5所示。

图1 焊装夹具布置图

图2 产品图样基准信息

图3 绘制焊缝信息

图4 焊枪摆放角度

图5 焊枪摆放角度

3.3 产品的定位系统

产品的定位分为定位销及定位面，其中，定位销分为圆形定位销和菱形定位销，圆形定位销作为主要定位基准，菱形定位销为防转定位销；定位面一般为支撑面，支撑面应有对应的压紧机构进行压紧，实现产品焊装作业中一直保持在确定的位置上。在产品定位过程中，应注意以下常见问题，以免浪费设计时间。

1）在零件与焊接总成基准不一致时，通常按焊接总成基准定位。

2）在零件单件基准无法使用时，可以选择总成中此件的功能性位置进行定位。

3）支撑面一般选择在零件的基准面上，以保证不同批次产品定位基准相同，产品焊接质量稳定。

4）压紧位置应选择在距离焊缝近且底部有支撑的位置，原则上无支撑不压紧，在底部无支撑的情况下仍需要压紧来固定零件，则可以采用弹簧压头和增加压紧限位挡块，以免压紧导致零件变形，影响产品焊接质量。

5）压紧机构一般采用压臂缸进行压紧，压臂的打开角度是由装件时夹具平台的角度决定的，例如，夹具平台人工装件的角度为15°，则远离人侧的压臂缸打开角度需＞105°，以免压臂在装件过程中落下，影响装件效率。

3.4 典型的定位机构

在焊装夹具的设计过程中，应尽量选择已经通用化、标准化的电网夹紧机构以及标准的零部件，提高夹具的通用化、系列化程度，以提高焊接生产线的可维护性。以下介绍几种此项目使用的典型机构。

1）抽销机构，如图6所示。当产品孔的轴线方向与取件方向（一般为竖直方向）的夹角＞5°时，定位销应设计成活动销，在装件之前由阀片控制气缸带动定位销伸出，装件后完成焊接，在取件前有阀片控制气缸实现定位销的缩回，完成销定位工作。此机构可以根据产品孔的形式，对伸出销进行修改，广泛应用于焊装夹具的销孔定位机构。

2）浮动压紧机构，如图7所示。在要求多点同时压紧或曲面压紧时，为了让所有压点都能有效压紧，可选择浮动压紧机构，根据实际情况，可以改变摆臂的形状，通常摆臂回转处间隙不能超过0.5mm，以保证良好的浮动压紧效果。

3）圆管支撑压紧机构，如图8所示。在焊装夹具的设计中，经常有圆柱类零件需要支撑压紧，此机构是底部V形块+可调节支撑销来进行支撑，夹紧与之对应，可调节性良好，提高圆柱类零件的定位准确性。

4）U形支撑+弹簧压紧机构，如图9所示。此机构常用于方管的定位支撑，U形块单侧与方管一面接触，方管另一面依靠弹簧压紧机构来定位，U形块另一侧起初导向作用，产品取出时需克服弹簧压紧机构与方管的摩擦力。常规的U形支撑两侧面都与方管表面接触，发生焊接变形时，易导致工件无法取出，影响焊接生产。

图6 抽销机构

图7 浮动压紧机构

图8 圆管支撑压紧机构

图9 U形支撑+弹簧压紧机构

采用通用化、标准化机构能大大地提高设计人员的设计效率，节省设计时间。

3.5 夹具框架及气路布置等相关附件

1）夹具框架是整个夹具的基石，它的强度及稳定性影响着整个产品的定位准确性和焊接质量，夹具框架一般由矩形管焊接而成，夹具框架上焊接夹具底板，所有的夹具定位组立都连接在此板上，夹具底板在满足强度的前提下应尽可能增大开口率，以达到减轻整体重量，使夹具在回转过程中受到的惯性矩变小，延长变位机等回转元件的寿命。夹具底板的固定通常由4钉2销定位固定，4钉四角分布，2销对角线布置，在一些比较大型的夹具上，应增加联接螺钉数量，并在定位销孔处增加耐磨套，以保证夹具底板的定位可靠性。

2）气路管线布置依据各气动元件的工作位置及工作顺序进行分组，并分配电控阀进行控制，通常一个电磁阀最多同时控制4个气缸（40mm缸径，行程＜50mm），使气缸的动作稳定并快速响应。

3）为了满足焊装夹具的安装调试及安装等要求，夹具底板上需增加用于夹具吊装的吊装孔，要求吊装时，夹具整体趋于水平状态；同时还有用于夹具定位调整的坐标检测孔，坐标检测孔一般采用3个基准坐标孔，为了操作方便，有时也布置4个基准坐标孔；布置传感器接线端子箱及气管走向，应尽量避开焊缝区域，无法避开焊缝的管线应做防烫、防飞溅处理，以免管线损坏。

4）完成工程图样、机电交流文件、气路原理图等相关文件的编写和绘制，完成设计工作。

4 结束语

本文从项目输入着手，按照常规的设计工作流程，完成焊装夹具的设计，通用化、标准化的焊装夹具设计流程，能快速、高效、高质量的完成夹具设计任务，减少不必要的冗余时间，对之后项目的焊装夹具设计工作有借鉴和指导意义。